第三章 新能源（第一节 太阳能）

null第三章    新能源第三章    新能源nullnull第一节 太阳能第一节 太阳能 太阳是距离地球最近的恒星，有磁场和自转。直径约140万公里，相当于109个地球直径之和，是太阳系内最大的天体，包含了太阳系将近98％的质量，它的内部则能容纳超过130万个地球。 太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停的释放出巨大的能量并向宇宙空间辐射，这就是太阳能。太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、潮汐能、水能都来自太阳能。科学家研究明，太阳每小时辐射到地球的能量约为18万兆瓦，相当于燃烧90兆吨优质煤的热量。太阳的内部构造太阳的内部构造 太阳内部有“里三层”。从中心向外，依次是： 核反应区——太阳热能产生的基地。 辐射区——太阳能先通过这里传播出去。 对流区——太阳能经过这里向太阳表层传播，是“输送带”。nullnull太阳表面结构光球、色球和日冕 null 太阳黑子nullnullnull色 球 层日珥日珥null日 珥 太阳的巨大喷发 太阳的巨大喷发 太阳的物质抛射形成环形突出 太阳的物质抛射形成环形突出 太阳耀斑 太阳耀斑1973年12月一个巨大的日珥跨越日面588000km1973年12月一个巨大的日珥跨越日面588000kmnull1970年3月7日日全食日冕 太阳活动极大年的日冕 太阳风和极光太阳风和极光 当太阳上有强烈爆发和日冕物质抛射时，太阳风携带着的强大等离子流可能到达地球极区。这时，在地球两极则可看见瑰丽无比的极光。美丽的极光美丽的极光美丽的极光美丽的极光美丽的极光美丽的极光null美丽的极光null太 阳 活 动 预 报 日地空间环境状态的变化对现代生活、生产所依赖的现代尖端技术显得越来越重要。前面已提到，X射线耀斑直接引起地球电离层骚扰，从而影响地球短波通讯。太阳质子事件会危及宇航员和宇宙飞行器上的传感器及控制设备，对在高纬地区飞行的旅客和乘务人员也构成辐射威胁。另外有人统计，剧烈的太阳活动与地震、火山爆发、旱涝灾害、心脏和神经系统疾病的发生及交通事故都有关系。所以，太阳活动和日地物理预报是非常重要的。太阳活动预报分为长期、中期、短期预报和警报。 null 日地空间环境作为系统的科学研究对象是在1957年人类进入太空开始的。50至70年代是探索阶段，人们逐步认识到太空环境的重要性。在大量探测的基础上建立了描述环境的静态模式，对一些重大的航天活动做了安全性的预报。80年代以后，在需求的推动下，日地空间环境的研究得到迅速的发展。自1979年开始每隔四年一次的国际日地预报会议均如期举行，规模逐次扩大。为了联合和协调各主要国家的工作，成立了联合的预报中心。总部设在美国，有10个区域警报中心分布于全球。我们北京区域警报中心是其中之一。进入90年代以后科学家们形象地称之为“空间天气。 　　虽然取得了一些成绩，但预报水平仍亟待提高。null二、太阳能资源取之不尽，用之不竭； 无所不在，不需运输； 清洁能源，对环境没有任何污染。太阳能资源的优点：null太阳的能量来源 　 太阳的能源问一向很吸引人。最早有人提出太阳能量是由其自身物质向中心收缩产生的。然而，这样的能源只可维持大约3000万年,而地球上最古老的岩石年龄已有38亿年了。此后的一些假说，同样难以自圆其说。后来人们才知道，太阳能源来自它直径不到50万千米的核心部分，其核心温度极高，压力极大，发生了热核反应：每4个氢原子核结合成一个氦原子核，同时释放出巨大的能量。这一过程足足可以进行100亿年。一些国家、地区太阳能资源量估计一些国家、地区太阳能资源量估计我国的太阳能资源我国的太阳能资源 我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。根据中国气象科学研究院的研究，有2/3以上国土面积，年日照在2000小时以上，年平均辐射量超过0.6GJ/cm2，各地太阳年辐射量大致在930～2330kW·h/m2之间。 null 从全国太阳年辐射总量的分布来看，藏、青、疆、内蒙南部、晋、陕北部、冀、鲁、辽、林西部、滇中部和西南部、闽东南部、琼东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。我国的太阳能资源分布 我国的太阳能资源分布 太阳能丰富区，在内蒙中西部、青藏高原等地，年总辐射在150千卡／平方公分以上。 太阳能较丰富区，北疆及内蒙东部等地，年总辐射约130～150千卡／平方公分。 太阳能可利用区，分布在长江下游、两广、贵州南部和云南，及松辽平原，年总辐射量为110～130 千卡／平方公分。 我国太阳能资源的分类 我国太阳能资源的分类 三、太阳能利用的形式: 光热转换 光电转换 光化学转换 （一）光热转换 太阳光照射物体表面会产生热效应，人们很早就认识到这一点并加以利用。光热转换应用包括：太阳能热水器、干燥器、温室与太阳房、太阳灶、采暖和制冷、海水淡化装置、太阳能热发电装置等。三、太阳能利用的形式:null1.太阳能热水器 是目前使用最普遍的太阳能产品，它利用太阳辐射将水加热，提供生活用水。 主要有集热器和保温的储水箱组成。集热器吸热板的表面涂有选择性吸收涂层，可以增大吸热表面的吸收率和减少热发射率，从而可以最大限度的吸收太阳辐射的能量。null 收集热水采用冷热水密度差的原理。冷水温度上升密度变小,使热水上升冷水下降，形成了自然循环使水不断的加热，从而使储水箱里的水升温，当天气不好时可以采用电保证热水温度。小常识：适合人洗浴的合适温度是35~38℃ 我国自从1958年研制出第一台热水器后，经过四十多年的努力，我国太能热水器产销量均占世界首位。null2.太阳房 在建筑物内配置太阳能的集热、蓄热、供热系统，以实现屋内的热水供应、取暖等功能。 早在2500年以前的古希腊，城市中的建筑物就是根据阳光和气候的特点来建造的。 被动式 主动式 被动式太阳房 被动式太阳房 这种太阳房构造简单，造价低，以自然热交换方式来获得能量,取材方便，造价便宜，无需维修，有自然的舒适感，特别适合发展中国家的广大农村。 主动式太阳能采暖 主动式太阳能采暖 利用集热器产生的热水采暖，结构较复杂，造价较高，需要电做辅助能源； 蓄热器置于室外，室内又是由地板供暖，故不占用室内居住面积是这种系统的一大优点。 无辅助锅炉的主动式太阳房 无辅助锅炉的主动式太阳房 null 白天吸热和晚上放热的墙壁、大窗户，不需要其它能源共给的太阳房。null3.太阳灶 利用太阳辐射的热能来烧水做饭的太阳炊具装置4.太阳能游泳池 利用太阳能使游泳池中的水体保持适宜温度null5.太阳能热发电装置 收集太阳辐射的热量，加热热水产生高温水蒸汽，驱动汽轮机发电null塔式太阳能热动力 发电的示意图 nullnullnullnull 太阳坑发电技术 太阳坑发电技术 在地面挖一个球形大坑，坑壁贴上许多小反射镜，使大坑成一个巨大的凹面半球镜，它将太阳能聚焦到接受器，以获得高温蒸气。试验证实太阳坑发电的是可行的。太阳坑发电示意图 太阳坑发电示意图 太阳能烟囱发电 太阳能烟囱发电 在一大片圆形土地上盖满玻璃，圆中心建一高大的烟囱，烟囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走，驱动风力透平机发电。null太阳能烟囱发电示意图 太阳池太阳池 太阳池是一种人造盐水池。它利用具有一定盐浓度梯度的池水作为太阳能的集热器和蓄热器，从而为大规模地廉价利用太阳能开辟了一条广阔的途径。null 太阳池是用于接收太阳热力，将之贮存于近100℃的自然或人为的池中。这个池的不同深度，各有不同浓度的盐份组成。这种分层的盐份层可阻碍热的对流，而将来自太阳的辐射热捕捉在池的底层。池底层的热则可作为发电的能源。目前以色列就运用这种发电方式。 太阳池工作原理 太阳池工作原理 太阳池的应用 太阳池的应用 太阳池的贮热量很大，因此可以用来采暖、制冷和空调。许多国家都利用太阳池为游泳池提供热量或为健身房供暖，或用于大型温室。其中利用太阳池发电是最为吸引人的。 太阳池环境问题太阳池环境问题 任何动物(包含人)，若是误闯入太阳池，将有致命的危险。 要避免太阳池的盐份，污染地下水和土壤。 为避免太阳池，有藻类出现，池内要加入毒性物质。（二）光电转换（二）光电转换 将阳光直接转变成电能的系统，也就是所说的“光伏系统”，光伏系统的核心是一个叫做“太阳电池”的部件。null 当阳关照射到太阳电池上的时候，电子（用红圈表示）受到光子的激发而发生迁移，它们向着太阳电池的上表面运动（深蓝色区域），使得太阳电池的上表面和背面中含有的电子数量不平衡，如果将太阳电池的上下表面用一根导线连接起来，就会在太阳电池的正极和负极之间产生电流。null 很多太阳电池组合在一起后形成组件（电池板）和阵列，它们能够为负载提供电压和电流输出。null薄如纸片的太阳电池null 在我们的地球上，有二十亿人口处于缺电少电的地区，光伏系统是解决这些偏远地区的能源共给问题的理想方式。null 许多国家建立了大型太阳能光伏电站，用以帮助缓解用电高峰和低谷时的问题并减少建设新电站的。 墨西哥的光伏系统-风力-柴油互补水利系统，它为全村43户人家、3所学校、2家商店、一个教堂和一个会堂提供能源。 在世界的许多地方，水和能源同样重要，这是以色列采用光伏系统和风能结合的咸水淡化工程。太阳空间电站太阳空间电站——未来能源基地 随着地球上石油、煤炭资源的日益枯竭和环境污染的不断加剧，人类把目光投向太空，预计到下个世纪初将建成空间电站，以解决日益紧张的能源问题。null 空间电站实际上是利用太阳能发电的卫星，这些卫星表面覆盖有太阳能电池板，能够吸收积聚大量太阳能并将其转化为电能，通过微波束将电能传送回地面。 由永远朝向太阳的太阳电池列阵，能把直流电转换成微波能的微波转换站，发射微波束能的列阵天线等三部分组成，通过天线以微波形式向地面输电。在地面上则要建一个面积达几十平方公里的巨型接受系统。null 太空太阳电站是十分巨大的。据计算一座8×1010W的太空太阳电站： 太阳电池的列阵面积达64km2； 要装配几百亿个电池片； 把微波发往地球的天线列阵面积需2.6km2。在近地轨道直接组装太阳能电站在近地轨道直接组装太阳能电站太阳空间电站优点太阳空间电站优点 可以充分利用太阳能，同时又不会污染环境； 不用架设输电线路，可直接向空中的飞 船和飞机提供电力，也可向边远的山区、沙漠和孤岛送电。 科学家预测，一旦建成空间电站，人类可以不断获得能源，地球能源利用将产生革命性变化。碰到的问题碰到的问题 空间运输成本问题 法国电力公司课题研究部顾问吕西安·德尚说，要使太阳能卫星变得可行，空间运输成本最少也得降低99％。 能量转换的效率问题 慕尼黑理工大学空间技术研究所名誉所长哈里·鲁普认为，在把太阳能输送到地球的过程中存在的能量转换的效率问题。微波束可能会把经过其传输路径的鸟或人"烤熟"并可能引起电磁干扰，扰乱飞机的雷达系统。null6.太阳能干燥器 以太阳能辐射能作为主要能源，以空气作为干燥介质来干燥物料的装置。null7.太阳能制冷 利用太阳能集热器收集的热能驱动制冷机达到制冷的目的，制冷机通过一个制冷循环来实现由热到冷的转换过程。太阳能氨水吸收式制冷系统（三）光化学转换（三）光化学转换 光化学转换技术主要包括光合作用和光电化学转换技术。目前尚处于阶段。四、太阳能新产品四、太阳能新产品 太阳能是目前发展最快的能源，世界能源专家认为，太阳能将是下个世纪的主要能源。太阳能具有蕴藏丰富、可再生、世界各地均可独立开采、不污染环境等优点，所以世界各国竞相开发利用，各种太阳能产品纷纷问世。null 太阳能冰箱：印度研制成功一种太阳能冰箱，在平底的太阳能收集器里，盛有氨和水的溶液，太阳光把氨从液体中蒸馏出来，并在另一个容器里冷藏下来。晚间把液态氨送到冰箱管道里，氨吸收热量使冰箱内部冷却下来。 太阳能电视机：芬兰生产的太阳能电视机，只要白天把半导体硅电池放在阳光下，晚上不需要用电便可观看电视，可连续使用3～4小时。null 太阳能空调器：日本夏普电器公司制造的太阳能空调器，当天气晴朗时，全部动力都由太阳能电池供应；多云或阴天时使用一般电源。null太阳能换气扇 日本新近推出一种太阳能楼房专用换气扇，安装在有太阳能电池板的窗框上，太阳能电池产生的电流能驱动换气扇旋转，换气能力达每分钟1立方米。 null太阳能收音机 德国开发研制成功一种太阳能收音机，它能把太阳能转变成直流电，作收音机的能源。null太阳能电话机 在法国的图尔市，新建了世界上第一批太阳能电话机。设有这种电话机的电话亭的顶端装设了太阳能电池，电话机完全依靠太阳能作无线通讯的能源。这种电话机话音清晰，无通话障碍。它将在法国各公路沿线普遍设立。英国一家无线电公司，也研制成功了类似的电话机。null太阳能照像机 日本研制成功世界上第一架太阳能照像机，重最仅475克，机内装有高效太阳能电池板和蓄电池，蓄足电力可连续使用4年。美国一家公司也生产出了一种新型的135照像机，其动力由太阳能电池板供应，只要有光线就能提供能源。null 太阳能汽车 日本东京电机大学最近设计出一种轻型太阳能轿车，其车顶上安装了两组蓄电池，利用太阳光充电后交替使用。 一组蓄电池充电后可行驶110公里，夏季日照最长季节可达150公里，最适宜于日照时间长的地区使用。不用燃油，不污染环境。nullnull太阳能自行车 美国科学家最近设计出了一种太阳能自行车。它在普通自行车上装一块由44个光电池组成的电池板，还装置一个铝蓄电池和功率为0．5马力的小型电动机。这种两用车在平地上行走时可用脚蹬，在上坡或身体疲乏时，则可开启电动机驱动自行车加速行驶。 null太阳能牙刷 日本科学家最近开发研制出一种太阳能牙刷。在这种牙刷的柄腔内放置一定数量的二氧化钛，经太阳光照射后钛的氧化物会放出电子束，这种电子束使牙齿及其周围形成微小电场，并使牙刷的刷丝硬化。由于电磁效应和机械作用，可迅速清除粘贴在牙齿上的污垢。五、太阳能利用的优缺点五、太阳能利用的优缺点（一）优点 普遍性 太阳光照射的面积散布在地球大部分角落，仅差入射角不同而造成的光能有异，但至少不会被少数国家或地区垄断，造成无谓的能源危机。 在人类与自然和平共处的原则下，使用太阳能最不伤和气，且若设备使用得当，装置成后所需费用极少，而每年至少可生1×1017千瓦的电力。null 无污染性 现今使用最多的矿物能源，其滋生的问题不外是废物的处理，物体不灭，能源耗竭越多，产生污染也相对增加，太阳能则无危险性及污染性。 永久性 太阳的能量极其庞大，科学家计算出至少有600万年的期限，对于人类而言，这样的时间可谓是无限。null（二）缺点 稳定性差，受日夜季候的影响，太阳能不断地生变化。 装置成本过高，吸收太阳能的受光面积须达一定规模方有效果，因此相对地成本提高。 有人针对太阳能的污染问题提出“目视污染”，意即庞大的太阳能收集器造成视觉上的污染。（三）太阳能发电的前景（三）太阳能发电的前景 专家预测，到2050年，全世界消耗电量的1/4将是太阳电，到21世纪末，可能会达到50％以上。到那时候，人类居住的房屋将发展成金字塔型。因为外壁用“非晶硅太阳能砖”砌成的这种形状的住宅，可用最大面积采光发电，并用高效的贮电装置贮存起来供人们使用。 人类将在宇宙空间建设大型的太阳能发电厂，卫星上的电能将通过微波输电设备，源源不断地送回地球，且损耗率低于2‰，人们再也不用为地球上能源枯竭和污染问题而发愁了。产生工业三废（废水、废气、废渣）的大批火力发电厂也将退出历史舞台，人类的家园将更加美好。null 位于美国加利福尼亚州巴斯托附近沙漠地区的太阳能发电厂，完成于1982年4月，是世界上第一座示范性太阳能发电厂 null太阳能利用与建筑一体化 太阳能产品不管怎样发展，最终还是为人们的生活服务的，所以太阳能利用设备和建筑一体化是未来发展的趋势。 太阳能建筑一体化就是将整个建筑物充分利用太阳能，充分利用自然光照明，采用太阳能空调、采暖系统，使用太阳能电池板供电。所有这些系统与建筑有机的融为一体，使建筑总能耗达到最小。null 无论世界将怎样发展、变化，有一点可以肯定：它需要某种形式的能源，这种能源将会是什么？ 答案很明显，它一直就存在于遥远的天空中。未来的世界是怎样的